Dezvoltarea și aplicarea modelelor numerice termomecanice ale proceselor de delaminare
Juan Luis Valera Rubio
2010-A
Descărcați pdf
Reînnoirea sau întinerirea litosferei continentale este un subiect de cercetare vechi și încă slab înțeles. Îndepărtarea mantalei litosferice continentale poate fi dedusă din diferite observabile geofizice, cum ar fi fluxul de căldură de suprafață anormal de ridicat, ridicarea regională, schimbarea regimului de solicitare de la compresiv la extins și prezența plăcilor reci (sau a plăcilor litosferice) și a activității. în regiuni îndepărtate de zonele de subducție.
S-au propus diferite mecanisme pentru a explica această îndepărtare a mantalei litosferice, care poate fi clasificată în trei grupuri mari (de exemplu, Houseman și colab., 2001): subducția și detașarea mantalei litosferice continentale, îndepărtarea convectivă și delaminarea continentală. Primele două mecanisme presupun că după vărsare se dezvoltă o zonă subțiată. Cu toate acestea, conform unor studii numerice recente, acest lucru nu se întâmplă. Numai prin introducerea unor reologii slabe în mecanismul de îndepărtare convectivă se poate obține o astfel de subțiere. În schimb, subțierea litosferică este inerentă mecanismului de delaminare propus de Bird (1979). Acest mecanism explică faptul că, având în vedere o „conductă cu vâscozitate redusă” care pune în contact astenosfera și scoarța inferioară, materialul astenosferic se poate ridica și extinde lateral de-a lungul Moho, rupând sau „delaminând” scoarța mantalei litosferice, care ar scufunda în astenosferă datorită contrastului de flotabilitate.
În ultimii ani, mecanismul de delaminare continentală a fost propus într-o mare varietate de zone geologice, dar, în ciuda acestui fapt, există foarte puține modele fizice ale mecanismului, astfel încât aspectele de bază ale delaminării rămân slab înțelese. Schott și Schmeling (1998) au modelat mecanismul de delaminare dintr-o stare inițială orogenă și au studiat condițiile de inițiere a acestui mecanism. Morency și Doin (2004) au prezentat un studiu detaliat în care au folosit simulări numerice termomecanice pentru a investiga condițiile de inițiere și propagare a delaminării continentale. Mai recent, Gö? Ü? și Pysklywec (2008a) au prezentat o comparație între rezultatele pentru anumite observabile „aproape de suprafață” obținute cu un model numeric reprezentativ de delaminare și alte rezultate obținute cu modele de îndepărtare convectivă.
În această teză de doctorat folosim modelarea numerică pentru a studia mecanismul continental de delaminare cu migrație laterală a punctului de delaminare și contact direct între astenosferă și crustă. Am dezvoltat un cod numeric termomecanic cu o abordare vâscoasă pentru a modela și caracteriza mecanismul de delaminare continentală și l-am aplicat la două „laboratoare naturale”: Marea Alboran și munții din sudul Sierra Nevada din California. Aplicarea codului la zone cu geometrii inițiale diferite arată versatilitatea codului dezvoltat și ne permite să evaluăm cantitativ câteva modele conceptuale propuse pentru evoluția acestor zone. Scopul nostru nu este de a explica evoluția geodinamică a zonelor într-un mod închis, ci de a verifica dacă codul nostru poate reproduce modelele conceptuale propuse și de a studia care observabile de ordinul întâi pot fi explicate prin mecanismul de delaminare.
Datorită interacțiunii puternice dintre diferite materiale, cum ar fi scoarța, mantaua litosferică și astenosferă, delaminarea continentală este un proces geodinamic foarte potrivit pentru studiul cuplării termice și mecanice dintre comportamentul fragil și ductil al acestor materiale. A doua parte a acestei teze de doctorat prezintă o nouă metodologie care face posibilă reproducerea simultană a comportamentului fragil și ductil și modelarea formării spontane a benzilor de forfecare care sunt interpretate ca defecte. Această metodologie a fost dezvoltată în timpul unei șederi scurte de șase luni la Universitatea Goethe din Frankfurt pe Main, sub îndrumarea prof. Dr. Harro Schmeling.
Mecanismul de delaminare continentală este consecința forțelor de plutire. Prin urmare, sub o abordare vâscoasă, procesul fizic este guvernat de ecuațiile cuplate ale conservării masei, energiei și momentului. Am considerat un flux bidimensional, am neglijat forțele inerțiale și am aplicat Aproximarea extinsă Boussinesq pentru a obține ecuațiile noastre finale. Am aplicat o schemă de diferențe finite pentru a discreționa ecuațiile, care a fost implementată într-un cod numeric scris în limbajul MATLAB. Au fost efectuate diferite teste de validare numerică, inclusiv compararea cu soluția analitică într-o aplicație specifică.
Am realizat o modelare și caracterizare numerică a delaminării continentale, comparând rezultatele obținute cu modele mecanice (independente de temperatură) și modele termomecanice (dependente de temperatură) pentru mecanismul de delaminare și pentru mecanismul de îndepărtare convectivă, un mecanism care a fost deja pe scară largă studiat anterior. De asemenea, analizăm efectul stratificării vâscozității, consecințele variației densității crustei orogene inferioare și am explorat efectul geometriei „conductei cu vâscozitate redusă” și a materialului din care este compusă.
Rezultatele noastre arată, spre deosebire de modelele conceptuale, dar în acord cu modelele numerice anterioare, că îndepărtarea convectivă nu produce subțierea corticală sau litosferică semnificativă sau detașarea rădăcinii litosferice care se scufundă. Dimpotrivă, modelele noastre reproduc subțierea litosferică inerentă mecanismului de delaminare, împreună cu o migrație laterală puternică a plăcii delaminate. Arătăm în această lucrare că migrația laterală este foarte sensibilă la variația vâscozității în mantaua litosferică și, în al doilea rând, la variația vâscozității astenosferei. O creștere de doar un ordin de mărime a vâscozității maxime a litosferei produce o schimbare de la o delaminare bine dezvoltată cu o deplasare mare a punctului de delaminare la o inhibare completă a acestui proces. Dezvoltarea mecanismului de delaminare este, de asemenea, favorizată de o viscozitate scăzută și o crustă inferioară orogenă de densitate mare. Ambele condiții pot fi legate de prezența eclogitului în cortexul orogen inferior.